何思聰,董 恒,張城芳,2①

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院,湖北 武漢 430070;2.武漢華夏理工學院土木建筑工程學院,湖北 武漢 430223)

作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成部分,湖泊有維持生物多樣性、調節(jié)氣候、緩解漬水、凈化水質等生態(tài)功能[1],同時作為城市系統(tǒng)的獨特景觀,也影響著城市建設規(guī)劃和人文景觀塑造[2]。武漢城市圈是長江中游重要的湖泊集中區(qū),武漢市更有“江城”之美稱[3]。近年來,在中部崛起戰(zhàn)略及武漢城市圈發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下,武漢城市圈的城市化建設正以前所未有的速度高速發(fā)展,城市土地利用格局發(fā)生了劇烈變化[4-5]。2015—2017年武漢城市圈暴雨頻繁,引發(fā)了多次程度不一的城市內澇,嚴重影響了城市圈的可持續(xù)發(fā)展與建設,這與湖泊數(shù)量銳減以及湖泊面積萎縮密不可分。針對湖泊問題,許多學者對其開展了研究。以湖泊面積變化為出發(fā)點,張毅等[6]、YAO等[7]和FANG等[8]結合歷史文獻資料與遙感影像,分別探究了武漢市、可可西里地區(qū)和江漢平原長時間序列的湖泊時空變化情況,并從自然狀況、人類活動和政策實施方面總結了湖泊變化的原因;徐娜等[9]和XIE等[10]對各自的研究區(qū)開展了高精度的土地覆被變化研究,從地物轉換的角度探究了驅動區(qū)域湖泊變化的自然和人類活動因素。以景觀生態(tài)學為立腳點,黃浦江等[11]利用3S技術,結合湖泊分形維數(shù)變化指數(shù),初步定量分析了人類活動對湖泊的影響程度;XU等[12]基于景觀生態(tài)學多樣性、破碎度和均勻度等指標,探究了武漢城市濕地的面積變化特征,發(fā)現(xiàn)城市化是影響武漢濕地景觀結構變化的主要因素。筆者鑒于前人對湖泊演變驅動力的機制分析以及對人類活動的定量描述思維,利用1994—2015年期間的11期遙感影像,分析武漢城市圈的湖泊演化規(guī)律以及湖泊周邊的土地利用變化規(guī)律,并提出比較完整的湖泊演變驅動力分析模型,定量化描述各驅動力因子比重,為解決城市內澇、建設可持續(xù)發(fā)展武漢城市圈提供參考。

1 研究區(qū)概況

武漢城市圈的湖泊主要集中在武漢市,為了保證各大湖泊的整體性,將研究區(qū)定義為以武漢市為核心并包括其周邊的嘉魚縣、咸寧市、大冶市、鄂州市、黃岡市和團風縣的完整區(qū)域(圖1)。按湖北省“一湖一勘”統(tǒng)計標準,至2012年底武漢市共有湖泊148個,總水面面積752.30 km2[1]。

武漢城市圈位于湖北省東部、長江中游,是我國東部與西部之間重要的交通樞紐,同時也是中部重要的經(jīng)濟圈和科研基地。區(qū)域內地勢平坦,平均海拔較低,其中湖泊海拔多為21～23 m,處在亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),雨量豐沛,降水主要集中在夏季7—8月,年均降水量在1 300 mm左右,夏熱冬冷,晝夜溫差較大,年平均氣溫為17 ℃。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1遙感數(shù)據(jù)

為了精確提取武漢城市圈的湖泊面積以及土地利用變化情況,選取1994—2015年間11期33景高質量Landsat遙感影像,平均每期年際間隔約為2 a。相較于其他時期,枯水期的湖泊面積變化幅度較小,保證了數(shù)據(jù)的可比性,同時能減少由數(shù)據(jù)帶來的誤差變化,故影像獲取的月份主要集中在枯水期(每年9—12月),其中10月17景、9月11景、11月1景、1月1景和8月1景。每期數(shù)據(jù)能夠完全覆蓋研究區(qū)并且基本無云層覆蓋(表1)。

圖1 研究區(qū)位圖Fig.1 Study area map

2.1.2氣象與經(jīng)濟數(shù)據(jù)

從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)獲取研究區(qū)1994—2015年枯水期(9—10月)的平均氣溫以及平均總降水量數(shù)據(jù),以研究氣候變化對湖泊演變的影響;并從國家統(tǒng)計局編制的《武漢統(tǒng)計年鑒》中收集1994—2015年武漢市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、GDP、城市建成區(qū)面積和常住人口等數(shù)據(jù),以定量研究人類活動對湖泊演變的推動作用。

2.2 研究方法

2.2.1湖泊信息獲取方法

對于水體的提取方法有很多,如水體指數(shù)法、基于閾值的單波段法、基于閾值的多波段法以及ISODATA法[13-15]。鑒于武漢城市圈地形較為平坦、大湖泊較多且部分湖泊水體富營養(yǎng)嚴重[16],采用歸一化水體指數(shù)(NDWI,INDW)快速準確地提取水體信息[1,17-18]。

(1)

式(1)中,INDW為歸一化水體指數(shù);ρGreen為綠波段的反射率,%;ρNIR為近紅外波段的反射率,%。

通過反復對比遙感影像確認每一年合適的NDWI閾值[19-20],對11期影像中的水體信息進行提取,并根據(jù)湖泊空間特征進行目視修正,提取較為精確的湖泊信息。

表1 武漢城市圈遙感影像信息

2.2.2土地覆被變化情況獲取方法

依據(jù)湖泊總面積變化趨勢,大致劃分其演變階段,確定各階段的始終年份,并提取土地覆蓋信息。利用監(jiān)督分類方法,采用神經(jīng)網(wǎng)絡分類器對1994、2003、2009和2015年4期影像進行分類。土地覆蓋類型分為6類:城市用地(大小規(guī)模居民地、工礦用地、交通用地和城郊開發(fā)待建設裸地)、耕地(水田、旱田)、林地(草地、喬木地、灌木叢和園地)、湖泊、水塘(湖泊附近的漁業(yè)用水體)和其他用地(未利用裸地、河流以及沙地)。

根據(jù)空間分析原理,將同年份利用歸一化水體指數(shù)法提取的湖泊信息與監(jiān)督分類提取的土地覆蓋信息進行空間疊加[21-22],用歸一化水體指數(shù)法提取的高精度湖泊信息修正監(jiān)督分類的湖泊區(qū)域。最后結合目視解譯[23]人機交互式修正分類結果并進行小斑塊去除處理,以保證結果的準確性。

2.2.3湖泊驅動力定量化分析方法

以各驅動力作為自變量,對應時期的湖泊面積作為因變量,利用SPSS 22.0軟件探究自變量與因變量間的相關性并進行數(shù)據(jù)的標準化,最后基于最小二乘估計求解回歸方程。回歸模型如下所示:

Y=β1X1+β2X2+…+βMXM。

(2)

式(2)中,Y為湖泊面積, km2;β為擬合系數(shù);X為各種驅動力,包括建成區(qū)面積(km2)、人口數(shù)(萬人)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值(億元)、溫度(℃)和降水量(mm)。

在自變量之間存在多重共線性的情況下直接擬合的回歸方程可信度低[24]。為了消除多重共線性的影響,對自變量進行主成分分析,提取貢獻度在95%以上的主成分。根據(jù)相關矩陣提取主成分載荷,計算因子得分,最后將因子得分作為自變量,與武漢城市圈湖泊面積進行回歸擬合,將各驅動力回代到擬合方程,得到最終擬合結果。

3 結果與討論

3.1 湖泊面積變化規(guī)律

利用前文提到的提取方法提取1994—2015年武漢城市圈的11期湖泊信息,與馬建威等[1]的解譯結果相比,多年湖泊面積的平均差異為13%。該研究的解譯結果略小于馬建威等[1]的結果,其原因在于該研究統(tǒng)計的是枯水期湖泊面積,而馬建威等[1]所統(tǒng)計的是豐水期湖泊面積。如圖2所示,在整個研究時期武漢城市圈的湖泊總面積整體呈減少趨勢,1994年時面積最大,為1 299.7 km2,占總區(qū)域面積的8.4%。從1994年到2015年湖泊面積共減少168.3 km2,較面積最大時減少12.9%。

武漢城市圈各個時期的湖泊面積如圖3所示。湖泊面積變化有較為明顯的階段性,可以大致劃分為3個階段:1994—2003年、2003—2009年、2009—2015年。第1階段(1994—2003年)為湖泊面積復雜變化階段,湖泊面積呈先減后增的變化趨勢,1994—1996年湖泊面積減少了46 km2。1996年后湖泊面積開始增長,至2003年湖泊總面積增長到1 279 km2,占總區(qū)域面積的8.2%。2003年后湖泊面積略微減少(20.5 km2)。第2階段(2003—2009年)為湖泊面積銳減階段,武漢城市圈湖泊面積開始劇烈減少,由2003年的1 279 km2減少到2009年的1 162 km2,減少面積為117 km2,是第1階段減少面積的2.54倍。2009年后湖泊面積占區(qū)域總面積的7.5%，較面積最大時減少了近1個百分點。第3階段(2009—2015年)為湖泊面積緩慢減少階段,以平均5.14 km2·a-1的速率緩慢減少。

圖2 1994—2015年武漢城市圈湖泊分布Fig.2 Distribution map of lakes in Wuhan City Circle from 1994 to 2015

圖3 1994—2015年武漢城市圈湖泊總面積變化Fig.3 Changes in the total lake area in Wuhan City Circle from 1994 to 2015

3.2 土地覆被變化分析

依據(jù)武漢城市圈1994—2015年期間的11期遙感影像的湖泊面積變化規(guī)律,利用1994、2003、2009和2015年的遙感影像,結合選擇性組合分類處理方法,進行土地利用覆被的動態(tài)監(jiān)測,結果如圖4所示?？紤]到不同的湖泊演變階段其土地覆被變化情況不同,針對湖泊的3個演變階段分別統(tǒng)計了湖泊面積轉移情況[25],結果如表2所示。

從表2可以看出,1994—2003年武漢城市圈湖泊面積變化主要與耕地和林地變化相關。耕地作為影響湖泊面積轉換的最主要土地利用類型,與湖泊之間存在大面積轉換,兩者的凈轉換量為-19.2 km2。林地、城市用地和其他用地則對湖泊面積變化影響甚微。

圖4 武漢城市圈1994、2003、2009和2015年土地覆蓋情況Fig.4 Land covers of Wuhan City Circle in 1994, 2003, 2009 and 2015

2003—2009年期間,影響武漢城市圈湖泊面積變化的主要土地利用類型發(fā)生了改變。一方面,耕地的轉出面積進一步增加(170.2 km2),轉入面積進一步減少(69.4 km2),凈轉換量為100.8 km2,依舊是湖泊面積最主要的轉入類型；另一方面,城市用地銳增并開始占用湖泊面積(18.1 km2),而少有城市用地類型轉入湖泊類型(4.0 km2)。這說明湖泊面積在這期間銳減,農(nóng)業(yè)擴張作為主要的變化方式,控制著湖泊面積變化大致趨勢,同時城市擴張對湖泊的占用也變得不容小覷。2009—2015年湖泊的主要轉出類型為耕地和城市用地。其中耕地的轉入量和凈轉換量大幅減少,分別為123.5和20.6 km2,而城市用地的轉入量基本不變,為18.2 km2。不難看出,城市擴張對湖泊面積的影響還在繼續(xù)增強,而農(nóng)業(yè)發(fā)展對湖泊面積的影響正快速減弱。

3.3 武漢城市內湖泊面積變化

為了進一步分析城市內部湖泊面積的變化特征,統(tǒng)計了漢口、漢陽和武昌的湖泊面積(表3)。在武漢三鎮(zhèn)中,武昌的湖泊面積最大,多年平均為79.21 km2,其次是漢陽和漢口,分別為7.46和1.44 km2。武漢三鎮(zhèn)的湖泊面積整體均呈減少趨勢,研究期內各區(qū)域的湖泊面積極值雖然有所差異,但在2007—2009年有一致的回升趨勢,特別是漢口區(qū),湖泊面積增加了56%。

3.4 自然因素對湖泊面積演變的影響

在自然條件下的水循環(huán)中,影響武漢城市圈湖泊面積變化最直接的環(huán)節(jié)就是大氣降水和蒸發(fā)[26-28]。大氣降水是湖泊主要的水量來源,而蒸發(fā)則是湖泊主要的水量流失方式。選取武漢氣象站1994—2015年的年平均降水量和年平均氣溫數(shù)據(jù),以探究上述環(huán)節(jié)對武漢城市圈湖泊的具體影響。

圖5為武漢城市圈湖泊面積及平均氣溫變化趨勢圖,可以看出1994—2015年武漢城市圈的年平均氣溫變化比較劇烈,歷史平均溫度差最高達到2.5 ℃,大致呈上升趨勢,與湖泊面積有一定的負相關關系。溫度與湖泊面積的對應關系比較復雜:1996—2003、2007—2011和2013—2015年武漢城市圈平均溫度與湖泊面積呈現(xiàn)明顯的相同變化趨勢,但是在1994—1996、2003—2007和2011—2013年兩者又呈現(xiàn)相反的變化趨勢。在區(qū)域尺度上,氣溫與蒸發(fā)量有一定的相關關系,一般而言,溫度的增加會導致蒸發(fā)量的增加,而在云量增加的情況下,平均氣溫的升高往往對應著蒸發(fā)量的減少[29],氣溫的變化在一定程度上反映著蒸發(fā)量的變化[30-31],而蒸發(fā)量的變化又直接影響了湖泊面積的變化。

表2 武漢城市圈各階段湖泊變化情況

圖6為武漢城市圈湖泊面積及平均降水量變化趨勢,整體上武漢城市圈的年平均降水量變化平緩,呈微弱下降趨勢,湖泊面積呈大幅減少趨勢。大部分時段(1999—2009年)湖泊面積與降水量有相同的增減趨勢,隨著降水量的增加湖泊面積也增加,降水量作為湖泊水量的重要來源,對湖泊面積的變化有一定的影響力。

3.5 人類活動對湖泊面積演變影響的定性研究

人類活動本身具有高度復雜性,對湖泊演變的影響更具有時段性和綜合性[32]。根據(jù)武漢城市圈1994—2003、2003—2009和2009—2015年3個時期的土地利用覆被變化情況,結合1994—2015年武漢市的GDP以及常住人口數(shù)據(jù),初步分析了人類活動對湖泊演變的影響。自1990年退田還湖的政策推行后大量耕地面積開始轉入湖泊面積,而圍湖造田現(xiàn)象并沒有立即消失,仍有大部分湖泊面積轉入耕地面積,這就使得1994—2003年湖泊面積變化趨勢復雜。2004年中部崛起計劃開始實施,一方面,武漢城市圈快速擴張(圖7):武漢市的GDP從2003年開始呈指數(shù)增長,12 a共增長3.91倍,城市用地開始大規(guī)模侵占湖泊,屢見不鮮的“圍湖造城”現(xiàn)象成為了湖泊面積銳減的主要原因之一。另一方面,經(jīng)濟高速發(fā)展,生活水平不斷提高,使得人口數(shù)劇增,隨之而來的高用水需求也成為了武漢城市圈湖泊面積銳減的原因之一。自2009年世界湖泊大會以后,武漢積極響應大東湖生態(tài)水網(wǎng)建設和湖長制制度,武漢城市圈湖泊面積進入緩慢減少階段,并且這種減緩趨勢在政策實施區(qū)(漢陽)最為明顯,而武漢市的城市擴張速度并沒有減緩,人口和經(jīng)濟仍然處于高速增長狀態(tài)?？梢娨幌盗械暮幢Ｗo政策削弱了湖泊面積的減少趨勢,相關措施卓有成效。

表3 武漢城區(qū)內部湖泊變化情況

圖5 1994—2015年武漢城市圈湖泊面積及平均溫度變化Fig.5 Changes in lake area and average temperature in Wuhan City Circle from 1994 to 2015

圖6 1994—2015年武漢城市圈湖泊面積及降水量變化Fig.6 Changes in lake area and average rainfall in Wuhan City Circle from 1994 to 2015

3.6 驅動湖泊面積演變的定量研究

為了進一步分析湖泊演變的驅動機制,依據(jù)自然和人類活動對湖泊演變的初步探究結果,針對人類活動對湖泊演變影響的主要方式(圍湖造田和圍湖造城),將主要的湖泊演變驅動力分為城市內部擴張驅動力、農(nóng)業(yè)發(fā)展驅動力、人口驅動力以及自然驅動力。城市內部擴張驅動力指的是城市擴張對湖泊演變的推動作用,在城市擴張的過程中存在大量的“圍湖造城”現(xiàn)象,大量的湖泊用地被占用并轉變?yōu)榻ǔ蓞^(qū),因此以城市建成區(qū)面積作為評價指標最為合適;農(nóng)業(yè)發(fā)展驅動力是指在區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中其所處的規(guī)模大小與存在方式對湖泊演變的推動作用,以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總額為指標,該指標越大,說明農(nóng)業(yè)活動越劇烈,對湖泊的侵占活動也會相應增大;人口驅動力是指區(qū)域人口的正常生活所帶來的用地壓力和資源壓力,區(qū)域常住人口數(shù)增加會加劇城市供水湖泊的供水壓力,進而影響湖泊面積;自然驅動力是指自然條件變化對湖泊面積的影響。以上4種驅動力代表了人類活動和自然變化對湖泊演變的多元影響。為了全面比較各個驅動力對湖泊演變的影響程度,選取1994—2015年建成區(qū)面積(X1)、常住人口(X2)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值(X3)、降水(X4)和溫度(X5),前3者分別代表城市內部擴張驅動力、人口驅動力和農(nóng)業(yè)發(fā)展驅動力,后2者代表自然因素驅動力。對各影響因子進行相關性分析,發(fā)現(xiàn)武漢城市圈建成區(qū)面積、常住人口、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、降水和溫度與湖泊面積的Pearson 相關系數(shù)分別為-0.959、-0.906、-0.799、0.318和-0.319。人類活動指標與武漢城市圈湖泊面積之間呈顯著負相關,說明農(nóng)業(yè)規(guī)模的擴大、人口基數(shù)的增長、城市內部擴張都使得武漢城市圈湖泊面積銳減,相對于自然因素,人類活動是影響湖泊演變的主要因素。

基于前文所述的模型構建方法,構建了武漢城市圈湖泊演變驅動力(Y)回歸模型:Y=-0.54X1-0.51X2-0.47X3+0.19X4-0.29X5,模型的擬合優(yōu)度(R2)達0.89。通過回歸模型分析可以發(fā)現(xiàn)，在整個研究時段中湖泊演變最主要的驅動力為城市內部擴張驅動力,影響系數(shù)為0.54,其次是人口驅動力和農(nóng)業(yè)發(fā)展驅動力,影響系數(shù)分別為0.51和0.47,最后是自然因素驅動力,溫度和降水的影響系數(shù)分別為0.29和0.19。由此可見,城市內部擴張是導致武漢城市圈湖泊面積減少最主要的原因,農(nóng)業(yè)發(fā)展與人口壓力對湖泊演變也有較為顯著的影響,而自然因素的推動作用則相對較小。

4 結論

利用GIS和RS技術動態(tài)監(jiān)測了1994—2015年間武漢城市圈湖泊面積變化情況,并挑選了1994、2003、2009、2015年4期影像進行土地利用覆被研究,結合氣候和經(jīng)濟數(shù)據(jù),利用定量與定性研究方法分析了湖泊演變驅動因素。主要結論如下:

(1)1994—2015年武漢城市圈湖泊面積整體呈銳減趨勢,21 a間共減少了168.3 km2。湖泊演變特征大致可劃分為湖泊面積復雜變化階段(1994—2003年)、湖泊面積銳減階段(2003—2009年)和湖泊面積緩慢減少階段(2009—2015年)。

(2)不同階段的地物變化特征有明顯差異:在湖泊面積復雜變化階段,武漢城市圈的湖泊轉出類型主要為耕地,而后在湖泊面積銳減和緩慢減少階段湖泊主要轉出類型為耕地和城市用地。

(3)氣候變化和人類活動是驅動湖泊演變的兩大因素,相對于氣候變化,人類活動是推動湖泊演變主要因素,經(jīng)濟飛速發(fā)展和城市爆炸式擴張使得湖泊面積銳減。各驅動力對湖泊演變的影響強度由大到小依次為城市擴張、人口增長、農(nóng)業(yè)發(fā)展、溫度升高和降水減少。

從驅動力定性分析中發(fā)現(xiàn),政府的政策也是影響湖泊面積變化的重要因素,定量化該因素將對完善湖泊驅動力分析工作有很強的推動作用。